2.3. Нормализация стали

Нормализация заключается в нагреве стали на 30-50⁰ выше критических температур А3 и А_см(см.рис.3) с последующим охлаждением на воздухе.

Цель нормализации доэвтектоидных конструкционных сталей несколько повысить прочность (по сравнению с прочностью после отжига) за счет измельчения структурных составляющих (феррита и перлита).

Цель нормализации заэвтектоидных инструментальных сталей - устранить цементитную сетку по границам перлитных зерен и тем самым предотвратить повышенную хрупкость стали при последующей закалке. Структура таких сталей после охлаждения на воздухе из аустенитной области (выше А_C3) получается сорбит (см. рис. 14).

 

2.4. Закалка стали

Закалка - вид термической обработки состоящий в нагреве стали до определенных температур (доэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₃, заэвтектоидных на 30-40⁰ выше А₁), выдержке и быстром охлаждении, со скоростью более верхней критической.

Цель закалки - повысить твердость, прочность, износоустойчивость.

Скорость охлаждения при закалке обычно задают охлаждающей средой (вода, масло, специальные среды). Верхняя критическая скорость закалки сильно зависит от содержания углерода (см.рис.1.5.) и легирующих элементов. Малоуглеродистые стали (<0,25%С) обычно закалке не подвергаются, так как V_вкз у них настолько велика, что не достигается даже при охлаждении в воде. Изменение структуры углеродистых сталей при закалке представлено в табл.1.

Таблица 1

Изменение структуры стали при закалке

 

Марки стали	Структура до закалки	Структура при нагреве	Структура после охлаждения
15-25	Ф+П	А	С или Т
30-60	Ф+П	А	М
65-У8	Ф+П, П	А	М+Аост.
У9-У13	С (Ф+Ц)	А+Ц	М+Аост.+Ц

Используются несколько способов закалки, которые классифицируются по методу охлаждения.

Закалка в одном охладителе (воде или масле)

Наиболее простой и распространенный способ. Однако, некоторые стали при охлаждении в воде склонны к возникновению трещин. При охлаждении в масле скорость охлаждения меньше, но многие стали при таком охлаждении не закаливаются (скорость охлаждения меньше V_вкз и мартенсит не образуется).

Закалка в двух охладителях (через воду в масло)

При этом методе в верхнем интервале температур скорость охлаждения велика, но сталь достаточно пластична и значительных напряжений не возникает. В области же мартенситного превращения (ниже 300⁰) скорость охлаждения при переносе детали в масло значительно меньше, что практически исключает образование трещин. Твердость при таком методе закалки такая же, как при закалке в воде.

Ступенчатая закалка заключается в том, что после нагрева детали переносят в печь-ванну с расплавом щелочей (обычно КОН+NaOH). Нагретую до температуры немного выше начала образования мартенсита (350-400⁰), выдерживают небольшое время для выравнивания температуры по сечению, а затем охлаждают в масле или на воздухе.

Твердость после такой закалки такая же, как и в предыдущих способах, но напряжения и вероятность образования трещин еще меньше.

Ступенчатая закалка применяется только для мелких изделий (до 10мм) из углеродистых сталей. Для более крупных деталей ее не применяют, так как в расплаве щелочей скорость охлаждения внутри детали мала.

Для легированных сталей, обладающих высокой устойчивостью переохлажденного аустенита, такую закалку применять нецелесообразно, так как они обычно хорошо закаливаются в масле, которое достаточно медленно охлаждает при температурах образования мартенсита.

Изотермическая закалка проводится так же как и ступенчатая, но в расплаве щелочей детали выдерживают более длительное время (до полного распада аустенита на бейнит). При этом существенных напряжений не возникает, но твердость получается ниже, чем при других способах закалки. Преимуществом этого способа является то, что после него не требуется отпуска. Изотермическая закалка обычно применяется для деталей сложной формы, склонных к деформациям и образованию трещин.

Все рассмотренные способы закалки показаны на диаграмме распада переохлажденного аустенита на рис.16.

Закалка является наиболее ответственной операцией термической обработки, так как проводится в конце технологического цикла изготовления детали или инструмента. Возможные дефекты при закалке, пути их предупреждения или исправления указаны в табл.2.